水平井套管柱可下入性摩阻計算三維力學(xué)模型

復(fù)雜結(jié)構(gòu)井,尤其是煤層氣多分支水平井的分支井眼多、井眼軌道局部彎曲段多的特點使得井內(nèi)管柱作業(yè)時所受摩阻、扭矩較大,造成作業(yè)困難甚至復(fù)雜事故。將二維剛性模型、二維整體模型及三維剛性模型3種剛桿模型進行程序化,并基于能量平衡原理,結(jié)合軟繩模型及狗腿平面的管柱剛性,推導(dǎo)出剛度力模型,從計算效率及精度上通過對比確定剛度力模型為推薦最優(yōu)計算模型?；诘痪窒抻跅U管模型,細化并實現(xiàn)動態(tài)數(shù)字化井筒技術(shù):利用三次樣條插值函數(shù)及最小二乘法數(shù)據(jù)擬合進行井眼實際測井?dāng)?shù)據(jù)平滑處理,建立復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的三維"數(shù)學(xué)井筒";采用量化色度分級方法,將管柱摩阻、偏磨、井壁破碎及井壁坍塌風(fēng)險等指標(biāo)進行等級劃分,建立帶有指標(biāo)分級云圖的"物理井筒";結(jié)合工程需求,考慮井下工具組合及vr處理技術(shù),實現(xiàn)可直接為工程服務(wù)的"工程井筒"。"三步"數(shù)字井筒技術(shù)路線為數(shù)字井筒的全面實現(xiàn)提出了可行性方案,所開發(fā)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)井三維數(shù)字井筒動態(tài)可視化軟件平臺可為復(fù)雜結(jié)構(gòu)井工程提供極大的便利。

定向井套管入井摩阻分析 沈獻良!!曹慶和"!王愛寬!!田相元"!汪慶芳# !!@中原石油勘探局鉆井一公司!"@中原油田分公司工程監(jiān)督中心!#@中原油田分公司國際合作部" !!摘!要!基于前人提出的!軟鉆柱"模型#采用空間分析方法詳細分析了三維井眼中套管 單元體的受力情況#推導(dǎo)了計算套管軸向載荷和扭矩的統(tǒng)一公式#這些公式也可以用于采用 !軟鉆柱"模型的鉆桿單元體的受力分析$結(jié)合濮"/平!井和文"33/’井現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)# 運用這些公式計算摩阻系數(shù)#并由摩阻系數(shù)預(yù)測大鉤載荷#對所建立的模型進行了分析驗證$ 關(guān)鍵詞!定向井!套管!單元體!摩阻!模型 !!#軟鉆柱$概念 !!#軟鉆柱$這一基本假設(shè) %!&’是指不考慮管柱的 直徑變化’視其為等徑(管柱與

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相對于直井,水平井落物不僅打撈困難,而且作業(yè)成本高,甚至還存在報廢油井的風(fēng)險,為此,研制了適合超低滲油藏水平井井身結(jié)構(gòu)的高強度防落物裝置。介紹了該裝置結(jié)構(gòu)、技術(shù)原理、技術(shù)特點,對該裝置錨定強度進行了理論計算,對其性能指標(biāo)進行了室內(nèi)實驗?，F(xiàn)場試驗表明,該裝置結(jié)構(gòu)合理,安全可靠,具有良好的井下適應(yīng)性和錨定效果,基本能滿足目前超低滲油藏水平井生產(chǎn)要求,可以進行推廣應(yīng)用。

熱采水平井中套管柱受各種載荷耦合作用會產(chǎn)生應(yīng)力集中而損壞。為此,采用有限元方法對熱采水平井彎曲段套管柱失效載荷進行了分析。在建立套管柱受力等效模型和有限元計算模型之后,分析研究了多種載荷耦合作用下套管柱失效的臨界應(yīng)力和臨界應(yīng)變。研究結(jié)果表明,套管柱應(yīng)力值和應(yīng)變隨著地層深度的增加和注汽溫度的升高而增大,對于井眼彎曲段套管柱,井眼曲率越大,管柱應(yīng)力值和應(yīng)變越大。建議進行熱采水平井套管柱設(shè)計時采用高強度管材,以提高材料屈服極限,減小軸向應(yīng)變。

鄂爾多斯盆地致密油資源豐富、分布廣泛,是長慶油田建設(shè)西部大慶戰(zhàn)略目標(biāo)的重要接替區(qū)。但其巖性致密、滲透率低、儲層物性差,且主要分布于井場受限的溝壑地帶,目前應(yīng)用較為廣泛的水平井鉆井技術(shù)難以實現(xiàn)經(jīng)濟有效開發(fā)。國內(nèi)外油氣田開發(fā)實踐表明,叢式水平井能夠大幅縮減投資成本,提高油田經(jīng)濟效益。為探索叢式水平井開發(fā)模式,形成鄂爾多斯盆地致密油藏鉆井核心技術(shù),針對三維水平井軌跡控制、泥巖失穩(wěn)垮塌、管串下入摩阻大等難題開展攻關(guān)與實踐,并在yp-3x井進行了先導(dǎo)性試驗。yp-3x井系陽字水平井組一口偏移距超過300m、水平段超過1500m的三維水平井,該井的成功實施突破了叢式水平井瓶頸技術(shù)難題,形成了以井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、剖面軌跡控制、泥頁巖防塌等技術(shù)集成配套的三維水平井鉆井技術(shù),為長慶油田規(guī)模開發(fā)致密油藏奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

利用cae仿真技術(shù)和可靠性疲勞實驗方法,研究了套管鉆井中的有關(guān)力學(xué)問題。分析了不同徑厚比套管的受力狀態(tài)、磨損套管剩余強度、套管柱的振動模態(tài)和疲勞可靠度。研究結(jié)果表明,徑厚比越大,套管管體mises應(yīng)力越大,套管發(fā)生失穩(wěn)的臨界荷載越小。對于均勻磨損,隨著磨損長度的增大,套管的剩余抗拉和抗扭強度逐漸變大,并達到一個極限值;對于非均勻磨損,其剩余抗拉強度與磨損長度之間的關(guān)系均近似服從指數(shù)分布。兩種磨損狀態(tài)下,套管柱剩余抗拉和抗扭強度都隨磨損量的增加而降低;套管柱外徑對套管橫向振動固有頻率的影響大于徑厚比對其的影響,縱向固有頻率主要取決于管柱長度。運用可靠性方法,基于概率分析設(shè)計了單軸和雙軸疲勞可靠性試驗,得到了套管柱的單軸和雙軸概率疲勞特性,推導(dǎo)出套管鉆井的p—s—n曲線方程。

u型井是煤層氣資源開采的一種新型模式,以往經(jīng)驗,u型井水平段多在煤層鉆進,采用裸眼或割縫襯管方法完井,但這種方法在煤層頂、底板水平鉆進段效果不佳,本文依據(jù)工程實例,介紹了套管完井技術(shù)在煤層氣u型井水平井中的成功應(yīng)用,不僅保證了井身質(zhì)量合格,而且為后期壓裂排采提供了保障,在類似煤層氣u型井水平井完井作業(yè)時具有良好的應(yīng)用前景,可逐步推廣。

為建立堆石混凝土三維力學(xué)模型,首先采用三維隨機多面體來模擬堆石顆粒,提出了堆石顆粒的空間隨機分布算法和密實算法;其次提出了自密實混凝土填充算法,生成了堆石混凝土三維力學(xué)模型;最后利用建立的三維力學(xué)模型,分析了單軸受壓條件下,堆石混凝土結(jié)構(gòu)組成對其力學(xué)性能的影響,并將計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行了對比.結(jié)果表明:所建立的堆石混凝土三維力學(xué)模型不僅能夠反映堆石顆粒大小、形狀和空間分布的隨機性,還能反映其密實過程和堆石體骨架對堆石混凝土力學(xué)性能的影響,具有一定的可靠性,可以彌補試驗條件的限制,為進一步研究堆石混凝土力學(xué)性能提供參考.

四川盆地普光氣田大灣區(qū)塊套管水平井存在儲層跨度大、水平段長、摩阻高、射孔后篩管以下水平段無法建立循環(huán)、暫堵后殘留大量暫堵漿等問題,常常造成射孔、完井管柱阻卡。為此,采用酸浸工藝、模擬通井等井筒處理技術(shù)來降低黏附在套管壁的膠凝物對管柱起下摩阻,消除套管壁上射孔毛刺、殘留物對射孔及完井管柱的阻卡;通過對暫堵劑的改進以及暫堵工藝的優(yōu)化,減小了暫堵劑沉積物造成的管柱阻卡風(fēng)險。截至目前,該技術(shù)已在4口套管水平井成功應(yīng)用,保障了大灣區(qū)塊套管井的順利投產(chǎn),可為該類氣井的投產(chǎn)作業(yè)提供借鑒。

根據(jù)煤層氣多分支水平井完井管柱在造斜段的受力變形特點,將完井管柱的變形分為線彈性、彈塑性和扁化變形(塑性流動)階段,利用彈塑性大變形理論建立了完井管柱承受彎矩與造斜率間關(guān)系的計算模型,推導(dǎo)出造斜段完井管柱許可造斜率計算公式。對沁水盆地某煤礦使用的多分支水平井完井管柱的造斜率進行了模擬計算,并與室內(nèi)實驗值進行對比,分析了完井管柱的外徑、壁厚和屈服強度對完井管柱許可造斜率的影響。計算結(jié)果表明:建立的煤層氣多分支完井管柱許可造斜率計算模型與實驗值具有很好的一致性,可滿足工程需要;完井管柱從線彈性極限變形狀態(tài)進入彈塑性極限變形狀態(tài),井眼許可造斜率變化很小;完井管柱線彈性、彈塑性和扁化變形階段的許可造斜率隨外徑的增加而降低,隨壁厚和屈服強度的增加而提高,但壁厚影響不顯著。

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隨著水平井鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)成為開發(fā)各種類型油氣藏的最主要技術(shù)手段，近年來隨著非常規(guī)致密油氣藏開發(fā)的不斷深入，以及國家“新兩法”的頒布實施，叢式水平井已經(jīng)成為油氣田開發(fā)的主要技術(shù)手段，同時，叢式水平井三維繞障軌跡也帶來了一系列新的技術(shù)難題，其中完井管柱與井眼相容性問題，成為制約完井管柱順利下入，提高完井質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

分析了斜井段套管下入的難點;通過對長慶油田水平井斜井段常用套管可通過的最大井眼允許曲率及特定井眼曲率下套管可通過的最大不可彎曲長度的計算,表明斜井段下套管保證套管能通過的最大井眼曲率要大于實鉆井眼的曲率,同時在斜井段下套管前有必要針對實際通井鉆具組合進行更為合理的力學(xué)模型簡化;采用加權(quán)平均法計算了多種通井鉆具組合的等效慣性矩,得到了不同通井鉆具組合與套管的剛度匹配系數(shù),為水平井斜井段套管順利下到預(yù)定位置提供理論支撐。

川西氣田是典型的低孔、低滲、低豐度、高壓致密砂巖氣藏,水平井分段壓裂是這類難動用油氣藏的高效開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。針對目前常用的水平井噴砂滑套分段壓裂普遍要求固井質(zhì)量高、封隔器容易失效;連續(xù)油管水力噴射分段壓裂需要壓井、多次動管柱、作業(yè)周期長的缺點。綜合上述兩項技術(shù)的優(yōu)點,形成了不動管柱水力噴射分段壓裂工藝新工藝,實現(xiàn)了水平井分段壓裂的高效改造,并進行了現(xiàn)場應(yīng)用,取得了工藝和增產(chǎn)效果的成功,值得在水平井改造中推廣應(yīng)用。

介紹了基于復(fù)合材料橋塞的水平井套管完井分段壓裂工藝管柱結(jié)構(gòu)、工藝過程和關(guān)鍵技術(shù)。闡述了該工藝管柱中關(guān)鍵部件——復(fù)合材料橋塞和電纜坐封工具的結(jié)構(gòu)、工作原理及性能特點。現(xiàn)場應(yīng)用情況表明,復(fù)合材料橋塞可正常坐封丟手,射孔發(fā)射率100%,平均每個復(fù)合材料橋塞鉆銑時間為30min,達到國外標(biāo)準(zhǔn);水平井套管分段壓裂管柱結(jié)構(gòu)合理,工藝優(yōu)良,性能可靠,能夠滿足頁巖氣水平井射孔壓裂聯(lián)作的分段完井要求。建議進一步優(yōu)化鉆銑復(fù)合材料橋塞工藝和工具,擴充橋塞尺寸規(guī)格,使其形成系列化,以滿足油田不同規(guī)格套管的需求。

針對線性復(fù)合油藏的特點,建立了無限大外邊界的線性復(fù)合油藏水平井試井模型,利用laplace變換、有限fourier余弦變換以及fourier變換對模型進行求解,最后利用stehfest數(shù)值反演繪制了壓力典型曲線,對整個不穩(wěn)定滲流過程進行了流動階段的劃分,分析了相關(guān)因素對壓力典型曲線的影響.結(jié)果表明:無限大外邊界的線性復(fù)合油藏水平井的滲流過程可以分為7個流動階段:水平井與兩區(qū)分界面的夾角對壓力典型曲線幾乎沒有影響,而水平井中心距兩區(qū)分界面的無因次距離對壓力影響較大,無因次距離值越小,中期徑向流階段的持續(xù)時間越短,晚期徑向流階段的開始時間越早.

基于x油田注蒸汽開采水平井受力狀況，根據(jù)熱力學(xué)、滲流力學(xué)、固體力學(xué)相關(guān)理論建立熱-流-固耦合方程，計算、分析、研究水平井蒸汽吞吐過程中井眼附近滲流場、應(yīng)力場和溫度場動態(tài)變化規(guī)律，分析套管溫度、地質(zhì)構(gòu)造等因素對套管應(yīng)力的影響，得出熱采水平井的套損防控建議。

分岔式隧道是一種新型隧道結(jié)構(gòu)型式,目前尚無相應(yīng)的設(shè)計、施工技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)可循,為了解這種新型隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形狀況,采用三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗方法對目前在建的滬蓉西高速公路大型分岔隧道進行研究。試驗成果有效地揭示分岔隧道洞周的應(yīng)力、位移變化規(guī)律和分岔隧道圍巖的破壞機制,獲得分岔隧道的設(shè)計和極限承載安全度,為分岔隧道的優(yōu)化設(shè)計和施工提供了有工程指導(dǎo)意義的建議和結(jié)論。

結(jié)合小灣高拱壩壩肩壩基的地形、地質(zhì)特征、軟弱結(jié)構(gòu)面分布狀況、淺層松弛卸荷現(xiàn)象以及加固處理方案,建立三維地質(zhì)力學(xué)模型,研制主要斷層的變溫相似材料,運用超載與降強相結(jié)合的綜合法對整體模型進行破壞試驗。通過試驗獲得小灣拱壩壩肩壩基的變形特征、失穩(wěn)的破壞過程、破壞形態(tài)及破壞機制,得到強度儲備系數(shù)為1.2,超載系數(shù)為3.3～3.5,確定拱壩壩肩壩基整體穩(wěn)定綜合法試驗安全系數(shù)為3.96～4.20。對試驗數(shù)據(jù)的綜合分析得出,兩壩肩中上部高程部位由于對斷層和蝕變帶采用了混凝土洞塞置換,其變位相對較小,破壞形態(tài)和破壞范圍相對較輕,說明混凝土加固洞塞置換起到較好的加固效果。根據(jù)試驗顯示的破壞形態(tài)和破壞區(qū)域,建議對右壩肩下游1245m高程以上的斷層f11和f10做一定范圍的處理,對左壩肩推力墩以上部分巖體進行適當(dāng)?shù)募庸烫幚怼?/p>

油田生產(chǎn)中巖層在油井開采中應(yīng)力變化較大,生產(chǎn)層段的巖層產(chǎn)生的應(yīng)力作用于套管,擠壓套管造成套管損壞,影響了油井的正常生產(chǎn)。通過建立二維平面軸對稱和平面應(yīng)變模型,利用ansys有限元軟件分析套管在水泥環(huán)影響下的變形特征。分析表明,油井開采中地應(yīng)力作用于水泥環(huán),套管最大應(yīng)力在套管內(nèi)壁產(chǎn)生,均勻載荷下套管抗擠強度是非均勻載荷的7倍以上。載荷橢圓度越大,套管內(nèi)壁應(yīng)力越大且分布不均。增大水泥環(huán)彈性模量可以有效減小套管最大應(yīng)力,生產(chǎn)中應(yīng)保持水泥環(huán)彈性模量在20~35gpa范圍,可以提高套管的抗擠強度。均勻載荷下,應(yīng)采用j55套管,非均勻載荷下,應(yīng)采用p110套管,可以有效地減小套管產(chǎn)生的應(yīng)力,提高套管的抗擠強度。

水平井是近年來在國內(nèi)推廣較快的采油工藝技術(shù),它可以增大井眼與油藏的接觸面積,加大泄油面積,減少滲流阻力,提高油田的整體開發(fā)效果。館陶組油藏,油層埋藏淺,壓實程度差,膠結(jié)疏松,易出泥砂。為了挖潛老油區(qū)的產(chǎn)能,后期水平井開發(fā)井?dāng)?shù)日益增多。